臨氫設備耐火爐襯結構及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種臨氫設備耐火爐襯結構及其制備方法，由內向外依次為耐火層、隔熱層以及金屬殼體，其所述隔熱層內的隔熱層錨固釘固接金屬殼體；耐火層內的耐火層錨固釘固接隔熱層，且該耐火層錨固釘延伸穿過隔熱層并與金屬殼體固接。本發明可以使設備外壁溫度均勻、減少耐火澆注料施工難度、保證爐襯均勻一致、整體性強、使用壽命長、不會發生突然性破壞、利于設備安全運行。
【專利說明】臨氫設備耐火爐襯結構及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及臨氫設備領域，尤其是一種臨氫設備耐火爐襯結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002]氫氣是重要的清潔能源和化工原料，在石油化工和化學行業具有重要的地位。氫氣及含氫方法氣體通常采用高溫高壓方法制取、管道輸送。常用設備包括制氫裝置的集合管和轉化氣蒸汽發生器、甲烷化裝置的甲烷化反應器、余熱回收器、高壓過熱器及輸送管道、合成氨裝置一、二段爐之間的集氣管以及二段轉化爐等。制取和輸送氫氣及含氫方法氣的設備金屬殼體長期接觸氫氣容易發生氫脆、氫腐蝕等，設備金屬殼體一旦發生破損，其內部的高溫、高壓、可燃、易爆的方法氣體高壓噴出將造成重大安全事故以及不可估量的經濟損失。因此必須制作隔熱耐火襯里對金屬殼體進行保護，同時還可以減少能源消耗、改善生產勞動條件。
[0003]目前的臨氫設備采用厚壁耐熱鋼或特殊鋼做殼體，內部制作金屬錨固件固定的雙層隔熱耐火澆注料爐襯，爐襯的隔熱層一般采用體密1.0g/cm3左右的隔熱澆注料，耐火層采用體密3.0g/cm3左右的剛玉質澆注料?，F有的層臨氫設備襯里結構存在以下問題:
[0004]1、殼體溫度較高。氫氣是導熱系數最大的氣體，臨氫環境下耐火材料的導熱系數大大增加，加上金屬錨固件造成的熱橋作用，造成外壁溫度較高，局部超溫現象經常出現。
[0005]2、抗熱震性差。剛玉質澆注料的耐氫氣侵蝕能力強、耐火度高、強度高，是臨氫裝置常用的耐火材料。但是剛玉質澆注料的抗熱震穩定性差，在溫度變化幅度較大時會發生剝離掉落。一旦發生剝落，剝落處的爐襯厚度將減薄，爐殼溫度會上升，影響結構安全，造成嚴重事故。
[0006]3、裂紋較多。臨氫設備襯里一般是雙層結構，每層設有密度較大的金屬錨固釘進行固定。金屬錨固釘在高溫下體積膨脹與周圍剛玉質澆注料膨脹相差較大，即使在錨固釘頂部采用預留膨脹間隙的方法也無法徹底消除膨脹差異，會造成耐火層襯里脫落。兩層襯里材料的膨脹性能相差較大，會造成隔熱層和耐火層局部脫離，尤其是處于頂部的爐襯。在耐火層產生裂紋的情況下，含氫氣體會滲透到隔熱層，造成殼體局部超溫，同時由于耐火層平均溫度的升高使耐火層澆注料的燒后收縮加大、裂紋增大，甚至會造成脫落。一般臨氫設備使用一個周期后裂紋均會增寬、加深，安全使用風險增大。
[0007]4、隔熱層材料雜質含量太高。臨氫襯里，尤其是溫度大于700°C時，要求低鐵低硅。由于硅遷移會造成爐襯的疏松脫落，還會在余熱回收裝置處沉積降低換熱效率。而常規臨氫設備采用的隔熱層材料硅含量一般在40%以上，當含氫氣體滲透到隔熱層時會造成大量的硅遷移使爐襯強度弱化。
[0008]以上問題的存在，使臨氫設備爐襯使用壽命不長，尤其是在溫度超過850°C時，壽命更短。

【發明內容】
[0009]本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供一種結構科學合理、抗熱震性好、穩定可靠、壽命長的臨氫設備耐火爐襯結構。
[0010]本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的:
[0011]—種臨氫設備耐火爐襯結構，由內向外依次為耐火層、隔熱層以及金屬殼體，其隔熱層內的隔熱層錨固釘固接金屬殼體；耐火層內的耐火層錨固釘固接隔熱層。
[0012]而且，所述耐火層錨固釘延伸穿過隔熱層并與金屬殼體固接。
[0013]而且，所述耐火層的體積密度為2550kg/m3-3000kg/m3，且氧化硅、氧化鐵雜質含量應分別小于0.5%。
[0014]而且，所述隔熱層的體積密度在1000kg/m3-1700kg/m3，且氧化硅、氧化鐵雜質含量應分別小于1%。
[0015]而且，所述耐火層中摻入一層陶瓷纖維或/和防爆纖維，層厚度一般大于等于80mmo
[0016]而且，所述隔熱層錨固釘是V型或Ω型，隔熱層錨固釘直徑小于10mm，采用焊接連接或螺栓連接方式與金屬殼體固裝。
[0017]一種臨氫設備耐火爐襯結構的制備方法，其步驟如下:
[0018]⑴安裝錨固釘:在臨氫設備的金屬殼體上采用焊接或螺紋連接方式安裝隔熱層錨固釘和耐火層下部錨固釘，對隔熱層錨固釘和耐火層下部錨固釘進行熱處理，并給隔熱層錨固釘安裝塑料帽；
[0019]⑵制作隔熱層:在金屬殼體上進行對隔熱層支模澆注或噴涂施工形成隔熱層，澆注成型后進行養護；
[0020]⑶安裝耐火層錨固釘:將耐火層上部錨固釘與耐火層下部錨固釘連接，并在耐火層上部錨固釘上戴好塑料帽；
[0021]⑷制備耐火層:所述耐火澆注料采用自流型或半自流型澆注料，采用木棍輔助流平或機械振搗，振搗應均勻，并將一定量的不銹鋼纖維摻入耐火澆注料中一起攪拌均勻；耐火澆注料經支模澆注形成耐火層；
[0022](5)成型:經過支模澆注形成一個整體的臨氫設備耐火爐襯結構。
[0023]而且，所述步驟⑴安裝錨固釘及步驟⑶安裝耐火層錨固釘所述的塑料帽為纏繞塑料布方式制成。
[0024]而且，所述步驟⑴安裝錨固釘中的隔熱層錨固釘之間的間距為300mm至500mm。
[0025]而且，所述步驟⑷耐火層的表面與耐火層上部錨固釘的上端部的距離為25mm至50mmo
[0026]本發明的優點和積極效果是:
[0027]1、本發明可以廣泛的應用于多種臨氫設備，包括:制氫裝置的集合管和轉化氣蒸汽發生器；甲烷化裝置的甲烷化反應器、余熱回收器、高壓過熱器及輸送管道；合成氨裝置一、二段爐之間的集氣管和二段轉化爐等。此種結構還可推廣到高溫管道爐襯中，例如:石化行業催化裝置斜管、提升管等。本結構尤其適合于使用溫度為500°C -1300°C的高溫臨氫設備。 [0028]2、本發明的結構可以使設備外壁溫度均勻、減少耐火澆注料施工難度、保證爐襯均勻一致、整體性強、使用壽命長、不會發生突然性破壞、利于設備安全運行。【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發明分層結構示意圖；
[0030]圖2為隔熱層錨固釘與金屬殼體的焊接連接方式；
[0031]圖3為隔熱層錨固釘與金屬殼體的螺栓連接方式；
[0032]圖4為隔熱層錨固釘與金屬殼體的另一螺栓連接方式；
[0033]圖5為隔熱層錨固釘與金屬殼體的另一螺栓連接方式。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖并通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。 [0035]一種臨氫設備耐火爐襯結構，包括由內向外依次固裝直接接觸含氫工業氣體的耐火層5、采用氧化鋁質高純度隔熱澆注料制成的隔熱層3以及金屬殼體1，本發明的創新點在于:隔熱層通過隔熱層錨固釘2固裝在金屬殼體上；耐火層通過耐火層錨固釘固裝在隔熱層上，且該耐火層錨固釘延伸穿過隔熱層并與金屬殼體固接，結構整體性強，提升結構的抗熱震性能。
[0036]所述隔熱層的材料采用高鋁質輕質澆注料，其體積密度一般在1000kg/m3-1700kg/m3,隔熱澆注料的氧化硅、氧化鐵雜質含量應分別小于1%，通常小于0.5%。當臨氫設備操作溫度較低時，即小于700°C時，氧化硅含量可適當放寬。
[0037]所述耐火澆注料以高純度剛玉為主材，可以是電熔剛玉或燒結剛玉，為水硬性，或氣硬性、熱硬性，耐火燒注料的體積密度一般在2550kg/m3-3000kg/m3。該耐火燒注料中摻入不銹鋼纖維6，還可以同時摻入陶瓷纖維或/和防爆纖維，一般為一層，其厚度一般不小于80mm。耐火燒注料的氧化娃、氧化鐵雜質含量應分別小于0.5%,通常小于0.2%。當臨氫設備操作溫度較低時，即小于700°C時，氧化硅含量可適當放寬。耐火澆注料中摻入的不銹鋼纖維應該是SUS304、SUS310或SUS330材質，應該為冷拔型，也可以是熔抽型，其長徑比應在60:1-150:1，弓形鋼纖維效果較好，以提升爐襯的抗裂性能、增加韌性并且使環形結構穩定。
[0038]所述金屬殼體表面還可以涂刷一層防腐涂料或浙青漆，保護爐殼鋼板不被腐蝕。
[0039]所述隔熱層錨固釘可以采用V型、Ω型等多種形式，直徑小于10mm，材質根據操作溫度確定，可以是SUS304材質的，也可以是SUS310材質的，在溫度很高時可采用SUS330材質。隔熱層錨固釘的間距以不大于500mm為宜,但最小應大于300mm,以減少熱橋作用；若臨氫設備臥式放置，則最頂部應有錨固釘。
[0040]所述耐火層中不采用或采用極少量的金屬錨固釘，可極大減少熱橋作用。
[0041]所述隔熱層材料采用高鋁質輕質澆注料，大幅降低氧化硅、氧化鐵含量的同時提高強度，具有與耐火層材料類似的膨脹性能，保證爐襯質量均一、整體性強、使用壽命長。
[0042]上述結構的具體制備方法具體如下:
[0043]⑴安裝錨固釘:在臨氫設備金屬殼體上采用焊接或螺紋連接方式安裝隔熱層錨固釘2和耐火層下部錨固釘7，對隔熱層錨固釘和耐火層下部錨固釘進行熱處理，并根據需要給隔熱層錨固釘安裝塑料帽4 ；[0044]所述隔熱層錨固釘與金屬殼體的連接方式包括焊接和螺栓連接兩種方式:其中焊接連接方式如圖2所示是指將隔熱層錨固釘直接與金屬殼體用不銹鋼焊條焊接在一起，焊接完成后再與金屬殼體一起進行整體熱處理。螺栓連接分成如圖3至圖5所示的三種方式，附圖3所示的螺栓連接指在金屬殼體上焊接一個與金屬殼體同材質的或不銹鋼的螺母，隔熱層錨固釘與螺栓事先焊接在一起，螺母焊接并熱處理后爐襯制作前再將隔熱層錨固釘通過螺栓擰入螺母中的連接方式；附圖4所示的螺栓連接指在金屬殼體上焊接一個與金屬殼體同材質的或不銹鋼的螺栓，隔熱層錨固釘與螺母事先焊接在一起，螺栓焊接并熱處理后爐襯制作前再將隔熱層錨固釘通過螺母擰到螺栓上的連接方式；附圖5中的螺栓連接指采用Ω型錨固釘時的連接方式，具體為在金屬殼體上焊接一個與金屬殼體同材質的或不銹鋼的長螺栓，螺栓焊接并熱處理后爐襯制作前再將隔熱層錨固釘通過上、下兩個螺母和墊片固定到螺栓上的連接方式；
[0045]所述塑料帽可以采用塑料、橡膠材質，也可采用纏繞塑料布、刷浙青漆等方式，主要是考慮到金屬件與澆注料膨脹系數的差異，高溫時塑料帽燒失預留金屬膨脹間隙，不至于破壞澆注料，塑料帽應該與金屬錨固釘釘頭緊密結合，避免施工時掉落在澆注料內，高溫燒后形成空隙；
[0046]⑵制作隔熱層:在金屬殼體上進行隔熱澆注料支模澆注或噴涂施工形成隔熱層，一般不采用手工搗打方法施工，隔熱澆注料的厚度根據傳熱計算得出，隔熱澆注料可以是一層，也可以是多層。隔熱澆注料可以是水硬性的，也可以是氣硬、熱硬性的；澆注成型后按規定進行養護；
[0047]⑶安裝耐火層錨固釘:將耐火層上部錨固釘7與耐火層下部錨固釘8連接，并根據需要在耐火層上部錨固釘上戴好塑料帽；所述塑料帽可以采用塑料、橡膠材質，也可采用纏繞塑料布、刷浙青漆等方式，主要是考慮到金屬件與澆注料膨脹系數的差異，高溫時塑料帽燒失預留金屬膨脹間隙，不至于破壞澆注料，塑料帽應該與金屬錨固釘釘頭緊密結合，避免施工時掉落在澆注料內，高溫燒后形成空隙；
[0048]⑷制備耐火層:所述耐火澆注料采用自流型或半自流型澆注料，可采用木棍輔助流平或機械振搗，振搗應均勻，不得過振或漏振，避免耐火澆注料分層或不銹鋼纖維結團、沉降；將一定量的不銹鋼纖維摻入耐火澆注料中一起攪拌均勻，不得結團；
[0049](5)成型:經過支模澆注形成一個整體的臨氫設備爐襯，經烘爐處理后即可投入使用。
[0050]隔熱澆注料和耐火澆注料在施工時應注意采取防止雜質混入的措施，可采用干凈的或新的容器、攪拌機等。
[0051]耐火層錨 固釘根據需要布置，如果設備直徑較小(小于Φ 1300mm)可不布置,若設備直徑較大(大于Φ 1300mm)應布置。
[0052]隔熱層錨固釘可以是V型、Ω型等多種形式，直徑小于10mm，材質根據操作溫度確定，可以是SUS304材質的，也可以是SUS310材質的，在溫度很高時可采用SUS330材質。隔熱層錨固釘的間距以不大于500mm為宜,但最小應大于300mm,以減少熱橋作用；若臨氫設備臥式放置，則最頂部應有錨固釘。
[0053]所述耐火層錨固釘為分段式安裝，首先將長螺母與耐火層下部錨固釘連接在一起，然后再與金屬殼體連接，關鍵是要保證埋入隔熱澆注料中的耐火層下部錨固釘的總長度等于隔熱澆注料厚度，以便于隔熱澆注料澆注施工時模板支設方便。若采用噴涂法施工，則可不受此限制。
[0054]耐火層錨固釘可與隔熱層錨固釘間隔布置，其材質與隔熱層錨固釘相同或更高，直徑不宜大于10mm。耐火層上部錨固釘的端部距離耐火澆注料的表面應有25mm以上的距離，操作溫度越高此距離越大，但最大不應大于50mm。若耐火澆注料內部還要其他直接承受方法氣體的耐火材料時，此距離可不受此限制。
[0055]盡管為說明目的公開了本發明的實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發明及所附權利要求的精神和范圍內，各種替換、變化和修改都是可能的，因此，本發明的范圍不局限于實施例和附圖所公開的內容。
【權利要求】
1.一種臨氫設備耐火爐襯結構，由內向外依次為耐火層、隔熱層以及金屬殼體，其特征在于:所述隔熱層內的隔熱層錨固釘固接金屬殼體；耐火層內的耐火層錨固釘固接隔熱層。
2.根據權利要求1所述的臨氫設備耐火爐襯結構，其特征在于:所述耐火層錨固釘延伸穿過隔熱層并與金屬殼體固接。
3.根據權利要求1所述的臨氫設備耐火爐襯結構，其特征在于:所述耐火層的體積密度為2550kg/m3-3000kg/m3，且氧化硅、氧化鐵雜質含量應分別小于0.5%。
4.根據權利要求1所述的臨氫設備耐火爐襯結構，其特征在于:所述隔熱層的體積密度在1000kg/m3-1700kg/m3，且氧化硅、氧化鐵雜質含量應分別小于1%。
5.根據權利要求1所述的臨氫設備耐火爐襯結構，其特征在于:所述耐火層中摻入一層陶瓷纖維或/和防爆纖維，層厚度一般大于等于80mm。
6.根據權利要求1所述的臨氫設備耐火爐襯結構，其特征在于:所述隔熱層錨固釘是V型或Ω型，隔熱層錨固釘直徑小于10mm，采用焊接連接或螺栓連接方式與金屬殼體固裝。
7.—種權利要求1所述的臨氫設備耐火爐襯結構的制備方法，其特征在于:步驟如下: ⑴安裝錨固釘:在臨氫設備的金屬殼體上采用焊接或螺紋連接方式安裝隔熱層錨固釘和耐火層下部錨固釘，對隔熱層錨固釘和耐火層下部錨固釘進行熱處理，并給隔熱層錨固釘安裝塑料帽； ⑵制作隔熱層:在金屬殼體上進行對隔熱層支模澆注或噴涂施工形成隔熱層，澆注成型后進行養護； ⑶安裝耐火層錨固釘:將耐火層上部錨固釘與耐火層下部錨固釘連接，并在耐火層上部錨固釘上戴好塑料帽； ⑷制備耐火層:所述耐火澆注料采用自流型或半自流型澆注料，采用木棍輔助流平或機械振搗，振搗應均勻，并將一定量的不銹鋼纖維摻入耐火澆注料中一起攪拌均勻；耐火澆注料經支模澆注形成耐火層； (5)成型:經過支模澆注形成一個整體的臨氫設備耐火爐襯結構。
8.根據權利要求7所述的臨氫設備耐火爐襯結構的制備方法，其特征在于:所述步驟⑴安裝錨固釘及步驟⑶安裝耐火層錨固釘所述的塑料帽為纏繞塑料布方式制成。
9.根據權利要求7所述的臨氫設備耐火爐襯結構的制備方法，其特征在于:所述步驟⑴安裝錨固釘中的隔熱層錨固釘之間的間距為300mm至500mm。
10.根據權利要求7所述的臨氫設備耐火爐襯結構的制備方法，其特征在于:所述步驟⑷耐火層的表面與耐火層上部錨固釘的上端部的距離為25mm至50mm。
【文檔編號】C01B3/02GK103964377SQ201310040900
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年2月1日 優先權日:2013年2月1日
【發明者】蘇彥彬, 郭成強 申請人:天津振普筑爐襯里工程有限公司